TO激光多芯片共晶贴装工艺。
高晓伟， 张媛， 侯奕雪， 刘艳丽.
中国电子科技集团公司第二研究院）。
摘要：基于低熔点合金焊接原理，引进全自动共晶贴片机设备，研究共晶焊接热台气氛的流体保护，进行多芯片共晶焊接试验，测量焊接产物的相关精度。 通过对焊接效果的质量检验和共晶焊接后的精度测量结果的分析，工艺试验达到了预期的效果，符合目前的产品市场化指标。 研究结论为提高5G芯片本身的质量和可靠性提供了有力保障，为推动半导体封装产业快速发展提供了参考。
0 引言。 随着5G应用的快速发展，更大的传输容量和更快的传输速率支持成为光器件模块和光通信行业追求的目标，可以说是光通信的命脉，光芯片是光模块的关键[1]。 表面贴装技术是微电子元器件封装过程中最重要的工艺，封装测试是微电子产品市场化的最后一个环节[2]。 因此，表面贴装技术在微电子封装工艺中占有非常重要的地位，而多芯片共晶芯片是关键工艺环节之一。 多芯片共晶芯片工艺直接决定了产品的质量和使用寿命，对产品性能指标影响很大。
1 共晶焊接。
1.1 共晶焊接原理。
共晶焊接又称低熔点合金焊接。 共晶焊接的焊接工艺是指在一定的温度和压力下，将芯片轻轻摩擦在镀金基座上，擦去界面处不稳定的氧化层，使接触面熔化，由两者的固相形成液相[3]。 冷却后，当温度低于共晶点时，液相形成的晶粒相互结合，形成机械混合物。
共晶合金技术广泛应用于电子封装行业，如芯片与基板的键合、基板-壳体的键合等[4]。 具有导热系数高、电阻低、可靠性高、粘接后剪切力大、散热性好等优点[5-6]。 对于散热要求高的电子元器件，大多会使用共晶合金完成共晶焊接。
1.2.自动共晶贴片机。
采用全自动共晶贴装设备进行工艺贴装试验。 设备采用凸轮驱动、连杆联动、精密齿轮齿条、直线电机、高精度模块和导轨，采用多轴运动控制技术和多摄像头视觉定位技术，保证设备连续高速、高精度运行。 其原理是基于脉冲电源在氮气气氛保护下的加热功能，从而实现对加热温度和加热时间的实时控制，从而完成散热片垫和焊料在管座上的一次性共晶焊接。 该设备实现了多片共晶焊接的复杂工艺，实现了实时可控温度时间，完全替代了人工焊锡的工艺，提高了多片共晶行业的智能化。 同时，高速、高精度的作业，不仅提高了生产效率，而且减少了产品虚焊的可能性，使成品的一致性大大提高。 全自动共晶贴片设备的结构如图1所示，多芯片共晶芯片的工艺流程如图2所示。
2.共晶焊接热工作台液**。
本设备的共晶焊接热工作台采用脉冲加热方式，即脉冲电流通过高电阻率材料时产生的焦耳加热，达到快速加热的效果。 脉冲加热是一种瞬时加热方式，只有在焊料熔化时才加热，并可根据不同的焊料设置多段温度曲线，实现加热温度和加热时间的实时控制，可满足多芯片共晶工艺。 热电偶连接到热台，用于将热台的温度实时反馈给温控系统，使热台的温度与设定的温度一致。
由于在共晶热阶段需要完成一些复杂的贴装工序，不可能有稳定的气氛来保护焊接环境，这直接导致焊料在焊接时必须在大气环境中焊接，存在氧化的风险，并且焊锡爬升效果不好。 针对焊接效果差的问题，设计了一个相对封闭的空间，同时不断充氮，控制流速，在热台管座固定位置形成相对稳定的气氛和保护环境。 简化三维模型结构后，利用软件对简化后的共晶热阶段的流体进行分析。 图 3 所示为单侧进水液**，图 4 为双面进水液**。
通过对第一个结果轮廓的分析可以看出，热工作台盖单侧氮气分布不均匀，热工作台管座共晶焊接左右两侧引线柱处的氮气流量也相差很大，整体气氛环境不理想， 从而影响共晶焊接效果，通过后续测试也得出同样的结论，焊接效果不好。双面进风**结果云图分析表明，热工作台盖的分布比较均匀，热工作台管座共晶焊接时左右两侧引线柱处的氮气流量基本没有区别，左右两侧同时进行共晶焊接时条件基本相同， 焊接条件理想，后续工艺测试验证焊接效果符合客户要求。
3.多芯片共晶焊接测试。
3.1 测试材料。
5G技术的快速发展对激光性能的要求越来越高，特别是随着传输速度的提高，光电信号转换产生的热量也明显增加。 为了提高激光器本身的散热能力，针对业界的5G应用设计了一种新的型号接头。 通过增加管头的风扇台，增加焊盘的尺寸，用直接焊接代替金线键合，提高了集管的散热能力。 本次测试采用新型TO5605管座，采用配套的缓冲块作为测试材料，焊料为金锡焊料（AU80SN20），广泛应用于共晶行业。
3.2 焊接试验要求。
1）焊料表面焊接后光滑光亮，无氧化问题;
2）铅柱高度必须达到铅柱高度的1 4以上;
3）散热垫焊接后，其周围的焊料溢出均匀;
4）散热器缓冲块贴片x、y方向精度在15m以内;
5）散热垫贴片的旋转角度精度为1°。
3.3.测试和测量仪器。
本次试验采用全自动共晶贴片机进行共晶焊接，测量仪器为二维影像测量仪和显微镜。
3.4 焊接试验方法。
管底的进料方式是阵列托盘，采用缓冲块蓝膜平台。 焊接方法是将管座倒置夹紧，夹在共晶台上，先将散热垫块预焊在管座的风扇台上，然后放置两块焊料，使用特殊的运动机构将缓冲块和焊料放在风扇台的固定位置， 并通过喷嘴施加静压，同时共晶，使缓冲块焊接在风扇台上。缓冲电路和管腿焊接在一起，后续芯片的焊接如果需要可以直接在散热片上完成，本次测试中芯片不焊接。 TO5605针座焊接如图5所示。
3.5 焊接工艺的影响因素。
影响TO激光器多片共晶芯片工艺效果的主要因素有氮气气氛环境、氮气流量、共晶热级基本恒温、焊接共晶温度、焊料和承插清洁度、焊接压力、喷嘴拾放位置精度、喷嘴拾放旋转精度、相机校准精度、管架夹紧一致性和运动机构各时序的协调性。
3.6.焊接工艺参数的确定。
根据材料的尺寸和管架的尺寸，选择不同规格型号的电木喷嘴，缓冲喷嘴的孔径为05mm，焊锡喷嘴孔径为02 mm。
试验是在氮气气氛的保护下完成的，通过设置不同的入口流量来确定最适合这种焊接的氮气流量，当进气量高于7ml min时，喷嘴在放置缓冲和焊料时会吹走缓冲层和焊料，导致整个焊接失败。 当进气量小于5mlmin时，由于各运动机构无法封闭焊接环境，在氮气流速不足时存在焊接后氧化的危险。 因此，氮气的最佳流速为5 7 ml min，并在6 ml min的氮气保护气氛下完成焊接。
在测试开始前，对共晶热台设置一个基本恒温，以确保管座的预热完成，同时放置缓冲块和焊料时不会出现熔化现象，也不会造成喷嘴堵塞，因为金锡焊料（AU80S20）的熔点为280， 为了防止焊料部分熔化和焊料粘在喷嘴上，本次测试将恒温温度设置为270。
通过设置不同的梯度共晶温度段，确定了适合TO5605集管的最佳共晶温度，发现不同温度下存在4种情况
1）温度过高，焊料已经烧干;
2）焊接后表面光滑，镀锡效果较好;
3）焊接效果稍差，攀锡不理想;
4）焊料未熔化，焊接未完成。
因此，通过测试418选择脉冲电源的共晶温度，此时焊接效果最好。
3.7.焊接测试和结果分析。
试管架在测试前进行超声波清洗，清洗后在自动共晶贴片机上完成常见产品焊接测试。 通过显微镜观察分析可以看出，焊接表面光滑光亮，无氧化不良情况，爬升高度达到引线柱高度的1 4以上。 散热片下方的焊料溢出均匀，满足焊接要求。 共晶焊接后，通过显微镜观察焊接到垫片的引脚的侧视图，如图 6 所示。 副产品焊接后，通过显微镜观察销和焊盘的前视图，如图7所示。
3.8.焊接精度测试。
采用二维影像测量仪随机检测10个焊管座垫块，测定焊后缓冲块的X方向精度、Y方向精度和旋转角度精度，测量精度结果见表1。
通过对取样管座精度测量结果的分析可以看出，缓冲块焊接后X方向精度在10m以内，Y方向精度在13m以内，旋转角度精度在1°以内，符合焊接试验的要求，满足了目前面向市场的批量生产的要求， 并为后续的芯片放置提供精度保证。
4 结论。 通过对全自动多片式共晶贴片机和TO插座工艺的分析研究，得出全自动多片式共晶贴片机可以通过脉冲加热实现各种规格型号的TO插座的自动共晶焊接。 通过对共晶焊接热工作台流体环境的分析，双面进风口可以保证TO管座热工作台焊接处气氛环境的稳定和持续保护，为左右引线柱焊接的一致性提供有效保证。 通过焊接后的TO承插显微镜的观察分析，可以看出焊接表面光滑光亮，不存在氧化不良的问题，爬升高度达到引线柱高度的四分之一，符合当前市场标准和要求。 焊接插座的x、y、角度精度为15m，角度精度为1°，满足了目前光通信行业面向市场化的量产需求。 这为提高5G芯片本身的质量和可靠性提供了有力的保障，为推动半导体封装产业的快速发展提供了参考。